海洋石油电驱修井机转盘驱动系统的基本设计要点

冯守宇，邓忠彬，李 浩，蒋代强

(1. 天津滨海概念人力资源有限公司 天津300452；2. 中海油服油田生产事业部 天津300452； 3.中海油能源发展装备技术有限公司 天津300452)

1 转盘驱动系统的功能

随着海洋石油产业的发展，海洋石油工程取得了巨大的进步，海洋石油修井机的驱动方式也发生了巨变，由传统的柴油机变速箱驱动方式改为电机驱动方式。由于交流变频电机具有噪音小、振动小、转矩大、能实现无级变速等优点，再加上无废气产生，对大气和海洋环境没有任何破坏，由交流变频电机取代柴油机作为动力系统已成为修井机未来发展的必然趋势。

转盘驱动系统是海洋石油修井机旋转系统的核心部件。在海洋石油电驱修井机的设计中，转盘驱动系统的可靠性直接影响到井下作业的进度和安全。它采用目前最先进的交流变频电机和链条减速箱为转盘提供动力，通过控制按钮和触摸屏完成对转盘的方向和扭矩控制。可以实现无极变速，能更精确地完成作业任务[1]。其功能如下：

①用转盘钻进或处理事故时，用于旋转钻柱；

②为钻具提供足够大的扭矩和必要的转速；

③起下钻时，承托井中管柱重量或钻杆柱重量；

④完成钻具、钻杆、管柱的连接、卸扣以及打捞作业；

⑤钻进时承受钻柱上的反作用力矩；

⑥钻定向井时调整和控制下井钻头的方位。

2 转盘驱动系统的组成及工作原理

转盘驱动系统由转盘主电机、转盘主电机冷却风机、鼓型齿式联轴器、链条箱、惯刹气胎离合器、橇座、万向联轴器、转盘扭矩传感器、转盘等主要部件组成。

转盘的扭矩由转盘主电机(交流变频电机)经鼓型齿式联轴器、链条减速箱、万向联轴器、转盘扭矩传感器传递给转盘，实现旋转钻进、修井等功能[2]。由于采用了交流变频电机，可根据钻修井工艺的要求，手动调节电机旋转方向和转速，达到控制转盘的旋转方向和转速的目的，以获得理想的转速和扭矩。转盘驱动系统组成见图1。

图1 转盘驱动系统组成 Fig.1 Components of turntable drive system

3 转盘驱动装置的主要部件设计

3.1 转盘主电机选型设计

转盘主电机的选型应参照中国海洋石油总公司企业标准QHS 2007.1—2013《海上石油平台修井机 第1部分：设计》[3]，根据最大钩载来选择转盘，根据转盘的扭矩来选择电机。该电机必须具备一类二区的防爆能力，如最大钩载为1350kN，转盘选择ZP275，最大扭矩为28kN·m，若链条箱的传动比为3.67，则电机的扭矩应选择在7.6kN·m。根据厂家交流变频电机的选型手册，应选择YJ23L10交流变频电机作为转盘驱动系统的原动力。电机在额定点应具有1.5倍过载能力，持续时间1.5min，间隔5min。主要参数如下：

额定功率600kW；额定电压690V；额定电流IN＝605A；额定频率fN＝33.5Hz；额定转速nN＝661r/min，额定转矩TN＝8669N·m；防爆等级ExdeIIBT3Gc。

3.2 转盘主电机风机的选型设计

由于转盘主电机功率较大，在工作的时候瞬间会产生巨大热量，故需要进行散热处理。一般采取风冷的方式进行散热。采用11kW交流异步电动机对电机内部的定子和转子进行散热处理，并将热量通过风道排放到安全区域。为了防止在没有开风机的情况下，转盘主电机意外启动，在风道处应设计风压开关和检修开关，与转盘主电机的启动按钮连锁启动，确保转盘主电机在正常散热的情况下启动，从而杜绝主电机因过热而造成损坏的事故发生。在海洋的盐雾环境下，为了避免盐雾和潮气进入电机内部引发电机故障，在电机的进风口需设计盐雾过滤器，对空气中的盐雾进行过滤和拦截。

3.3 交流变频器选型设计

交流变频器的选择应根据电机的功率来选择。同时还要考虑满足电机过载要求。

如选用的西门子S120800kW的变频器，基准负载电流724A，过载1.5倍可以达到1086A，允许时间60s(间隔时间5min)，而主电机1.5倍过载时电流为714A×1.5＝1071A＜1086A，因此变频器满足电机1.5倍过载要求(5min内允许过载1min)。

3.4 链条箱的设计

链条减速箱的功能是可实现一级减速，提供所需要的传动比。链条箱由箱体、输入轴总成、输出轴总成附件组成。

链条箱箱体为钢板焊接结构，具有足够的强度和刚度，箱子顶部设有盖板，便于观察链条运转情况。另外箱体上需设有空气滤清器孔等。

输入轴总成与动力端相连，由输入轴、输入链轮、左右轴承、左右轴承座、轴承盖、油封等件组成。输出轴总成与传动轴相连，由输出轴、输出链轮、左右轴承、左右轴承座、轴承盖、油封、惯刹离合器等零件组成。

转盘链条箱链条和轴承采用飞溅润滑方式。

3.5 转盘的选型设计

转盘是一个用两个锥齿轮将动力端传来的水平旋转运动变为垂直旋转运动的机构。转盘总成主要由转盘、法兰、转盘固定装置等组成。转盘的安装应在钻台上找正井口中心后，现场配焊定位装置。转盘与转盘梁之间一般采用 V形定位块连接[3]。

转盘的选型取决于转盘的主要参数。如最大钩载为1350kN，转盘选择ZP275。主要参数如下：

通孔直径698.5mm；最大静载荷5000kN；最大扭矩28kN·m；传动比3～4；最高转速300r/min；中心距1353mm。

3.6 转盘刹车系统的设计

转盘刹车系统采用气胎离合器来完成转盘的刹车。充气刹车，放气抬离合，可实现过扭矩保护，当电动机断电、气胎离合器进气时实现转盘制动。转盘刹车应设计安装在转盘扭矩传感器之后，以便在转盘刹车后转盘扭矩传感器能实时监测转盘的动态扭矩。

3.7 橇座的设计

橇座用来安装固定主电机和链条箱，便于安装和运输。橇座通过4组V形定位块固定在钻台橇上。交流变频电机通过4条螺栓与底座上的垫块连接，采用调整垫调节安装高度，链条箱输出轴总成一端与气胎离合器磨擦毂相连接。橇座主梁由20#工字钢组焊而成，整体刚性好；为方便安装运输时吊运，橇座四周应设计有吊装耳。

3.8 司钻房按钮控制的设计

根据实际需要，在司钻房的操作台上应设计一些控制按钮或开关，以方便司钻对转盘进行精确控制。它包括选择开关、控制旋钮、相关指示和按钮。

选择开关包括：转盘的启/停、转盘方向选择(正转、反转)、转盘惯刹(自动、刹车、解除)。

控制旋钮包括：转盘扭矩限制(0～150%)和转盘转速给定(0～300r/min)。

转盘变频器相关指示包括：转盘运行灯、转盘故障灯、转盘变频电流表。

按钮：转盘变频器故障复位。

3.9 PLC及触摸屏的设计

转盘离合器挂合的情况下，在正常模式时，通过触摸屏来完成转盘的操作。触摸屏软件操作界面 见图2。

图2 触摸屏软件操作界面 Fig.2 Operation interface of touch screen software

设计的触摸屏至少应该包含：启动按钮、停止按钮、复位按钮、快速回零按钮、转速减小按钮、转速增加按钮、转盘转速给定、转盘扭矩限制值。

通过设定转盘转速来计算并控制电机的转速，从而控制转盘的实际转速，转盘扭矩限制值主要是限制转盘逆变器的输出。一旦井下有事情发生，出现卡钻的情况，限制转盘逆变器扭矩值的输出可避免造成钻杆拧断等严重后果，保障钻修井操作的安全性。

触摸屏还要提供转盘动态扭矩值的显示。转盘扭矩是通过转盘扭矩传感器进行间接测量的。转盘扭矩传感器对传动轴扭矩的测量加上一定的传动比，即为转盘的动态扭矩。

3.10 转盘的启动条件的设计

由于转盘驱动系统较为复杂，其启动的过程需要按照一定的操作规程才能完成转盘的启动操作。具体条件如下：

①确保转盘整流模块DSU已经合闸，并且处于正常状态；

②转盘逆变器处于“远程”模式；

③转盘逆变器已经合闸，并处于正常状态；

④检修开关、风机开关处于正常状态；

⑤点击“启动”按钮，程序将自动启动与转盘电机相关的辅助电机，如转盘风机、转盘油泵，当这些电机已经启动，有反馈信号(其反馈信号将显示在转盘电机参数里面)以后，程序再启动变频器；

⑥转盘逆变器正常启动后，转盘的各项参数都会正常显示，电流值一般在200A左右。

4 结语

海洋石油电驱修井机转盘驱动系统性能的好坏在很大程度上取决于其主要部件的配合选型设计[4]。考虑到现场的实际情况，为了方便司钻操作的便利性，系统的操作应设计2种控制模式：正常模式(触摸屏操作)和应急模式(司钻台按钮操作)。在系统的PLC电路出现故障的时候仍然能够在应急模式下完成转盘驱动系统的操作。

综上所述，电驱修井机转盘驱动系统的选型设计中需要考虑各部件的配合特点，特别是考虑海洋石油现场的环境特点，防爆、防护及防腐要求。目前电驱修井机转盘驱动系统还存在诸多问题，比如转盘主电机的抗腐蚀能力尤其不足，应注意避免安装在不通风和潮湿的地方。因此，在今后相当长的时间内，全面优化转盘驱动系统的设计，让电驱修井机转盘驱动系统的设计更加完美，将是海洋修井机设计师们不断追求的目标。